Моделирование нестационарных теплофизических процессов метантенков бгу в условиях переноса энергии
Modeling of non-stationary thermophysical processes of biogas unit digesters in conditions of energy transfer

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА:

БИОГАЗОВАЯ УСТАНОВКА С ГОРИЗОНТАЛЬНЫМИ РЕАКТОРАМИ, ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЕ УРАВНЕНИЕ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ, НЕСТАЦИОНАРНОЕ ТЕПЛОВОЕ ПОЛЕ, НЕОГРАНИЧЕННЫЙ ЦИЛИНДР, НЕОГРАНИЧЕННАЯ ПЛАСТИНА, ОПТИМИЗАЦИЯ, УПРАВЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫМ РЕЖИМОМ, УПРАВЛЯЮЩИЕ ФУНКЦИИ, КРИТЕРИИ ПОМ

АННОТАЦИЯ

Авторы: Ильин Юрий Петрович, Белов Александр Владимирович, Кузьмина Наталья Юрьевна, Скородумова Наталья Викторовна

Одним из направлений энергетики России является использование нетрадиционных источников энергии [1…9]. Это определяет увеличение вклада биомассы в энергетический баланс в целях анаэробного производства биогаза [9…11]. При этом одной из задач [10] является задача оптимального управления процессами теплопроводности в реакторах биогазовых установок. Рассматривается задача нагрева сырья в горизонтальном реакторе биогазовой установки с теплоизолированной боковой поверхностью. Решается уравнение теплопроводности для неограниченного цилиндра, имеющего внутренний источник тепла. Анализ теплового режима биореактора осуществляется с помощью уравнений теплопроводности. При этом решение двумерной задачи нахождения нестационарного теплового поля (для цилиндра конечного размера) сводилось к определению одномерных задач (для неограниченного цилиндра и пластины). Решение уравнений сделано в предположении постоянства термических коэффициентов, равномерного по высоте нагрева стенок реактора и навозного субстрата, что снижает точность вычислений. Не учтен также перенос тепла парами влаги, перемещающимися внутри нагреваемого субстрата. Из уравнений может быть получено выражение относительной избыточной температуры для случая подогрева субстрата внешним источником тепла и для случая внутреннего источника тепла. Таким образом, получаются частные уравнения, которые характеризуют тепловой режим реактора метантенка при других способах подогрева навозного сырья. Формально речь идет о сложных системах, состояние которых характеризуется одним или несколькими параметрами, распределенными в пространстве и времени. Из-за сложности технологических процессов переработки и особенностей физических процессов распространения тепла, возникающих в ходе переработки навоза, для математического моделирования используются краевые задачи математической физики, а также операторный метод определяется функционалом специального вида, структура которого зависит от целей управления. В ряде случаев управляемую систему принято считать одномерной. Теория оптимального управления позволяет подбирать параметры, которые обеспечат оптимальное функционирование исследуемого процесса. Таким образом, разработка новых и усовершенствование существующих методов оптимального управления процессами теплопроводности является актуальной научной задачей

Abstract:

NAME: Modeling of non-stationary thermophysical processes of biogas unit digesters in conditions of energy transfer
AUTOR: Ilyin Yury Petrovich, Belov Alexander Vladimirovich, Kuzmina Natalia Yuryevna, Skorodumova Natalya Viktorovna

One of the areas of Russian energetics is the use of unconventional energy sources [1...9]. This determines the increase in the biomass contribution to the energy balance in order to produce biogas anaerobically [9...11]. In this case, one of the tasks [10] is the problem of optimal control of the processes of thermal conductivity in the reactors of biogas units. The task of heating the raw material in the horizontal reactor of a biogas unit with a thermally insulated lateral surface is considered. The heat conduction equation is solved for an unbounded cylinder having an internal heat source. Analysis of the thermal regime of the bioreactor is carried out with using the equations of heat conduction. In this case, the solution of a two-dimensional problem of finding a non-stationary thermal field (for a cylinder of finite size) became the solution one-dimensional problems (for an unbounded cylinder and a plate). The equations are solved due to the assumption that the thermal coefficients are constant, uniform heating of the reactor walls and the manure substrate, which reduces the accuracy of the calculations. The transfer of heat by moisture vapor moving inside the heated substrate is also not taken into account. From the equations, an expression of the relative excess temperature can be obtained for the case of substrate heating by an external heat source and for the case of an internal heat source. Thus, specific equations are obtained to characterize the thermal regime of the reactor digester with other methods of heating the raw manure. Formally, these are complex systems, the state of which is characterized by one or several parameters distributed in space and time. Due to the complexity of technological processing and physical peculiarities of heat distribution arising during the processing of manure, for mathematical modeling boundary-value problems of mathematical physics are used, and the operator method is determined by a special type of functional, the structure of which depends on the control objectives. In some cases, controlled systems are considered to be one-dimensional. The theory of optimal control allows selecting parameters to ensure the optimal functioning of the process under study. Thus, the development of new and improvement of existing methods for optimal control of thermal conductivity processes is an important scientific task